FR2965411A1

FR2965411A1 - Antenne compacte a fort gain

Info

Publication number: FR2965411A1
Application number: FR1057864A
Authority: FR
Inventors: Cruz Eduardo Motta
Original assignee: Bouygues Telecom SA
Current assignee: Bouygues Telecom SA
Priority date: 2010-09-29
Filing date: 2010-09-29
Publication date: 2012-03-30
Anticipated expiration: 2030-09-29
Also published as: US20130176188A1; WO2012041979A1; EP2622678A1; KR20130114652A; FR2965411B1; CN103222110B; CN103222110A; JP5998144B2; JP2013542660A; US9136593B2

Abstract

L'invention concerne une antenne panneau comprenant un plan de masse un substrat diélectrique, ayant une permittivité (ε ), le substrat étant disposé sur le plan de masse ,au moins une source rayonnante (S ), chaque source rayonnante étant constituée d'une pluralité d'éléments d'antennes ,les éléments d'antennes étant disposés les uns par rapport aux autres consécutivement et sont espacés d'une distance inférieure à une longueur d'onde λ, la longueur d'onde λ correspondant à la fréquence de fonctionnement de l'antenne, l'antenne panneau comprenant en outre un superstrat (12) diélectrique, ayant une permittivité (ε ) supérieure à la permittivité (ε ) du substrat ,le superstrat étant disposé sur les éléments d'antennes .L'association des éléments d'antenne et un arrangement précis sur le panneau permettent d'obtenir soit une réduction de la hauteur à gain constant soit une augmentation du gain à hauteur constante.

Description

DOMAINE TECHNIQUE GENERAL L'invention concerne le domaine des antennes panneaux, notamment celles utilisées dans des réseaux cellulaires.

ETAT DE LA TECHNIQUE Les stations de base (en anglais, « Base Transceiver Station », (BTS)) sont soumises à d'importantes contraintes d'aménagement en hauteur (abat-sons des églises, bas-reliefs des façades de bâtiments protégés, etc). Actuellement, les réseaux cellulaires font appel à des antennes à fort gain isotrope afin de maximiser leur portée radio. Ces gains sont obtenus grâce à des panneaux avec des hauteurs qui varient couramment entre 1,2 m pour la bande 1800/2100 MHz et 2,4 m pour la bande 900 MHz. Une antenne panneau comprend de manière connue une pluralité d'éléments d'antennes disposés en rangée verticale sur un substrat.

La figure 1 illustre une antenne panneau de type connu. L'antenne panneau de la figure 1 comprend huit éléments d'antennes E; (i=1 à 8) disposés sur un substrat 11, chaque élément d'antenne E; comprend un point d'accès A; et sont espacés d'une distance de d'environ 0,9X, ~ étant la longueur d'onde dans le vide à la fréquence centrale de la bande de fréquences de l'antenne. La distance est entendue entre deux points d'accès A; des éléments d'antennes E;. Les éléments d'antennes E; sont alimentés par exemple en arborescence : les éléments d'antennes E; contigus sont connectés deux à deux au moyen d'une première ligne d'alimentation Ll pour former quatre paires d'éléments d'antennes. Les paires sont en outre connectées deux à deux au moyen d'une seconde ligne d'alimentation Lz pour former deux quadruplets d'éléments d'antennes et les quadruplets sont enfin connectés entre eux au moyen d'une troisième ligne d'alimentation L3. On note que les lignes d'alimentation sont définies entre deux points d'accès A; de chaque élément d'antenne E;.

Les figures 2a et 2b illustrent respectivement une vue de dessus et une vue de profil d'un élément d'antenne E; disposé sur le substrat 11. L'élément d'antenne E; disposé sur le substrat forme une source rayonnante connue sous le nom de « patch ». Le substrat 11 diélectrique a une constante el diélectrique et est disposé sur un plan de masse P, l'élément d'antenne E; étant disposé sur le substrat 11. L'élément d'antenne E; est disposé sur le substrat 11 diélectrique connecté à un connecteur A; pour alimenter l'élément d'antenne E;. Chaque élément d'antenne E; présente en fonctionnement un gain unitaire d'environ 8dBi, l'antenne de la figure 1 présente donc un gain de 8dBi+10log(8)=17dBi pour une hauteur de 8 x 0,9X,=7,2X,. Les tableaux des figures 3a et 3b montrent le rapport entre le gain de l'antenne et sa hauteur pour deux principales bandes de fréquences utilisées dans les réseaux cellulaires (la bande 880-960 MHz, dite « 900 MHz » et la bande 1710-2170 MHz, dite « 2100 MHz ») à la fréquence centrale de la bande de fréquences de l'antenne. On constate notamment que pour passer d'un gain de 15dBi à 17dBi il faut environ doubler la hauteur de l'antenne pour une fréquence centrale donnée. On comprend donc que la hauteur de l'antenne est imposée par le nombre d'éléments d'antenne E;. Ainsi, plus l'antenne possède un gain important, plus le nombre d'éléments nécessaires est important et plus l'antenne est grande.

Ceci n'est pas sans problème puisque la tendance actuelle est d'imposer des hauteurs maximales pour les antennes panneau voire des réductions de hauteur. On connait une solution pour diminuer la taille d'une antenne panneau qui consiste à supprimer des éléments d'antennes E;. Or une telle suppression conduit à une perte en termes de gain d'antenne et donc une dégradation des performances de l' antenne.

PRESENTATION DE L'INVENTION Un objectif de l'invention est de pouvoir augmenter le gain d'une antenne sans avoir à augmenter la taille de l'antenne.

Un autre objectif de l'invention est de pouvoir réduire la hauteur d'une antenne sans diminution du gain de l'antenne. Ainsi, selon un premier aspect, l'invention concerne l'antenne panneau comprenant un plan de masse, un substrat diélectrique, ayant une permittivité, le substrat étant disposé sur le plan de masse, au moins une source rayonnante, chaque source rayonnante étant constituée d'une pluralité d'éléments d'antennes, les éléments d'antennes étant disposés les uns par rapport aux autres consécutivement et sont espacés d'une distance inférieure à une longueur d'onde X, la longueur d'onde correspondant à la fréquence de fonctionnement de l'antenne.

L'arrangement des éléments d'antenne constituant chaque source rayonnante permet d'obtenir une réduction de la hauteur à gain constant soit d'obtenir une augmentation du gain à hauteur constante. De préférence, l'antenne comprend en outre un superstrat diélectrique, ayant une permittivité supérieure à la permittivité du substrat, le superstrat étant disposé sur les éléments d'antennes. L'association du superstrat avec l'arrangement des éléments d'antenne permet d'obtenir soit la réduction de la hauteur à gain constant soit une augmentation du gain à hauteur constante D'autres aspects de l'antenne selon le premier aspect de l'invention sont les suivants : chaque source rayonnante comprend quatre éléments d'antennes connectés par paires au moyen d'une première ligne d'alimentation, les paires étant connectées l'une à l'autre en un point d'accès au moyen d'une seconde ligne d'alimentation ; elle comprend une pluralité de sources rayonnantes, les sources rayonnantes étant disposées l'une par rapport à l'autre de manière telle que leurs centres signalés par les points d'accès de chaque source rayonnante sont espacés d'une distance égale à la distance entre deux éléments d'antennes ; 20 25 30 les éléments d'antennes sont disposés les uns par rapport aux autre avec un espacement de égal à ds(N-1)/N, où ds est la distance entre les sources rayonnantes et N est le nombre d'éléments d'antennes ; Elle comprend préférentiellement entre deux éléments rayonnants et six 5 éléments rayonnants ; les éléments d'antennes sont des patchs carrés, en forme de triangle équilatéral ou en forme ellipsoïdale ; les éléments d'antennes sont issus des technologies suivantes : cornets ou antennes filaires ; 10 une résistance est connectée entre le plan de masse et chaque élément d'antenne. Et selon un second aspect, l'invention concerne un réseau de communication cellulaire comprenant une antenne selon le premier aspect de l'invention.

15 PRESENTATION DES FIGURES D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront encore de la description qui suit laquelle est purement illustrative et non limitative et doit être lue en regard des dessins annexés sur lesquels outres les figures 1, 2a, 2b, 3a et 3b déjà discutées : la figure 4 illustre une antenne panneau conforme à un premier mode de réalisation de l'invention ; la figure 5 illustre une antenne panneau conforme à un second mode de réalisation de l'invention ; les figures 6a et 6b illustrent respectivement une vue de dessus et une vue de profil d'un élément d'antenne de l'antenne de l'invention ; la figure 7 illustre une source élémentaire conforme à l'invention ; la figure 8 illustre une antenne panneau de type connu présentant en fonctionnement un même gain que l'antenne conforme au premier mode de réalisation de l'invention. ; la figure 9 illustre une antenne panneau de type connu ayant la même hauteur que l'antenne conforme au seconde mode de réalisation de l'invention. Sur l'ensemble des figures, les éléments similaires portent des références numériques identiques.

DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION On décrit ci-dessous deux modes de réalisation de l'invention en relation avec les figures 4 à 9.

Pour chaque mode de réalisation, l'antenne comprend un substrat 11 diélectrique ayant une permittivité el, le substrat 11 étant disposé sur un plan P de masse et au moins une source rayonnante Si. Chaque source rayonnante Si est constituée d'une pluralité d'éléments d'antennes E,i disposés les uns par rapport aux autres consécutivement et espacés d'une distance de inférieure à la longueur d'onde X, la longueur d'onde correspondant à la fréquence de fonctionnement de l'antenne. L'antenne de la figure 4 comprend deux sources rayonnantes et l'antenne de la figure 5 comprend six sources rayonnantes. De manière avantageuse, chaque source rayonnante Si comprend quatre éléments d'antennes E,i, Ei2, E,3, E;4 connectés par exemple en arborescence par paires au moyen d'une première ligne d'alimentation Ll, les paires étant connectées l'une à l'autre en un point d'accès A; au moyen d'une seconde ligne d'alimentation L2. Les sources rayonnantes Si sont disposées l'une par rapport à l'autre de manière telle que leurs centres signalés par les points d'accès A; de chaque source rayonnante sont espacés d'une distance égale à la distance ds entre deux sources rayonnantes. En outre, les éléments E,i d'antennes d'une source rayonnante sont disposés les uns par rapport aux autres avec un espacement de égal à ds(N-1)/N, où ds est la distance entre les sources rayonnantes et N est le nombre d'éléments d'antennes E,i.

La distance de est définie entre chaque point d'accès A,i de chaque élément rayonnant E,i. De manière préférée, chaque source rayonnante Si comprend quatre éléments rayonnants E,i.

En outre, l'antenne comprend (celles des figures 4 et 5) en outre un superstrat 12 diélectrique ayant une permittivité ez supérieure à la permittivité et du substrat 11 qui est disposé sur les éléments d'antennes E,i. Par rapport à un élément d'antenne E; formant une source rayonnante de type patch, de type connu, l'élément d'antenne E,i est ainsi plongé dans un milieu à forte permittivité ce qui permet de réduire la taille de l'élément d'antenne pour réduire sa longueur d'onde de fonctionnement, ou plutôt de la conserver et de réduire sa dimension physique. L'utilisation du superstrat 12 permet de conserver des caractéristiques de rayonnement identiques à un élément d'antenne de hauteur plus grande.

Par ailleurs, une résistance R est connectée entre le plan P de masse et chaque élément E,i d'antenne (voir figures 6a et 6b). La résistance R est typiquement égale à un Ohm. Cette résistance R sert à court-circuiter l'un des côtés rayonnants de l'élément d'antenne. Ce court-circuit sert à transformer l'élément rayonnant de taille X/2, constitué de deux monopôles, chacun de taille X/4 de chaque côté du dipôle, en un seul monopôle de taille X/4 et par conséquent permet de diviser par deux les dimensions électriques de l'élément rayonnant. Cette résistance R permet également d'augmenter sensiblement la bande passante de l'antenne dans son comportement résonnant. Enfin, la permittivité et est par exemple comprise entre 1 et 4 et est de préférence égale à 2,2 et la permittivité ez est par exemple comprise entre 10 et 50 et est de préférence égale à 30. A titre d'exemple, par rapport à l'élément d'antenne E; d'un patch de type connu, pour une fréquence de fonctionnement dans la bande GSM à la fréquence centrale de 920MHz le côté de l'élément d'antenne E; est de dimension égale à 94 mm tandis que le côté de l'élément d'antenne E,j (avec le superstrat) est de dimension égale à 21,5 mm. Toujours à titre d'exemple, on peut envisager des éléments d'antennes E,j carrés, en forme de triangle équilatéral ou en forme ellipsoïdale ou bien encore issues des technologies suivantes : cornets ou antennes filaires qui permettent par leur faible taille ou faible ouverture rayonnante, l'association de sources. Réduction de la hauteur - Gain constant L'antenne illustrée sur la figure 4 permet de diminuer la hauteur d'une antenne panneau de type connu en conservant un même gain de 17 dBi.

Elle comprend deux sources rayonnantes S1, S2 espacées d'une distance ds = 0,9X chacune composée de quatre éléments d'antennes espacés d'une distance de = 0,9X (4-1)/4 = 0,675 ~ (voir figure 7). Chaque source rayonnante présente en fonctionnement un gain de 14dBi de sorte que l'antenne de la figure 4 présente en fonctionnement un gain de 17dBi.

Toutefois, par rapport à l'antenne telle qu'illustrée sur la figure 8 la hauteur est divisée par deux : on passe de 7,2 (8 x 0,9 X) à 3,6X (4 x 0,9 20. Les sources rayonnantes SI et Sz ayant chacune un point d'accès AI, Az sont imbriquées le long de l'axe longitudinal de l'antenne (voir figure 4) de sorte que les centres des sources Si soient écartés de la même distance ds. Pour une meilleure compréhension du schéma d'alimentation des différentes sources, chaque point d'accès est disposé sur un côté opposé au point d'accès suivant. La distance entre deux éléments rayonnants consécutifs appartenant à deux sources rayonnantes différentes varie entre ds/N et ds(N-1)/N, soit entre 0,225 et 0,675 X.

Augmentation du gain - hauteur constante L'antenne illustrée sur la figure 5 permet d'augmenter le gain de l'antenne tout en conservant la même hauteur qu'une antenne panneau de type connu. Elle comprend six sources rayonnantes, chacune composée de quatre éléments d'antennes (voir figure 7).

Comme dans le mode de réalisation précédent, chaque source rayonnante présente en fonctionnement un gain de 14dBi de sorte que l'antenne de la figure 5 présente en fonctionnement un gain de 21,8 dBi au lieu de 17dBi obtenu par l'antenne de même hauteur telle qu'illustrée sur la figure 9 (hauteur égale à 7,2X).

Comme précédemment les sources rayonnantes ayant pour chacune un point d'accès AI, A2, A3, A4, A5, A6 sont imbriquées le long de l'axe longitudinal de l'antenne (voir figure 5) de sorte que les centres des sources Si soient écartées de la même distance ds. Pour une meilleure compréhension du schéma d'alimentation des différentes sources, chaque point d'accès est disposé sur un côté opposé au point d'accès suivant. La distance entre deux éléments rayonnants consécutifs appartenant à deux sources rayonnantes différentes varie entre ds/N et ds(N-1)/N, soit entre 0,225 et 0,675 X.

Claims

REVENDICATIONS1. Antenne panneau comprenant un plan de masse (P), un substrat (11) diélectrique, ayant une permittivité (el), le substrat (11) étant disposé sur le plan de masse (P), au moins une source rayonnante (Si), chaque source rayonnante étant constituée d'une pluralité d'éléments d'antennes (E,i), les éléments d'antennes (E,i) étant disposés les uns par rapport aux autres consécutivement et sont espacés d'une distance (de) inférieure à une longueur d'onde X, la longueur d'onde correspondant à la fréquence de fonctionnement de l'antenne.
2. Antenne selon la revendication 1 comprenant en outre un superstrat (12) diélectrique, ayant une permittivité (e2 ) supérieure à la permittivité (el) du substrat (11), le superstrat étant disposé sur les éléments d'antennes (E,i).
3. Antenne selon l'une des revendications précédentes dans laquelle chaque source rayonnante (Si) comprend quatre éléments d'antennes (Eu, Ei2, E,3, E;4) connectés par paires au moyen d'une première ligne d'alimentation (LI), les paires étant connectées l'une à l'autre en un point d'accès (A;) au moyen d'une seconde ligne d'alimentation (L2).
4. Antenne selon la revendication 3 comprenant une pluralité de sources rayonnantes (Si), les sources rayonnantes (Si) étant disposées l'une par rapport à l'autre de manière telle que leurs centres signalés par les points d'accès (A;) de chaque source rayonnante sont espacés d'une distance égale à la distance entre deux éléments d'antennes.
5. Antenne selon l'une des revendications précédentes dans laquelle les éléments d'antennes sont disposés les uns par rapport aux autres avec un espacement de égal à ds(N-1)/N, où ds est la distance entre les sources rayonnantes et N est le nombre d'éléments d'antennes (E,i).
6. Antenne selon l'une des revendications précédentes comprenant préférentiellement entre deux éléments rayonnants et six éléments rayonnants.
7. Antenne selon l'une des revendications précédentes dans laquelle les 5 éléments d'antennes sont des patchs carrés, en forme de triangle équilatéral ou en forme ellipsoïdale.
8. Antenne selon l'une des revendications précédentes dans laquelle les éléments d'antennes sont issus des technologies suivantes : cornets ou antennes 10 filaires.
9. Antenne selon l'une des revendications précédentes comprenant une résistance connectée entre le plan de masse et chaque élément d'antenne. 15
10. Réseau de communication cellulaire comprenant une antenne selon l'une des revendications précédentes.